1

استعمال مصادر الطاقه البديله لبدء واآمال عمليات

التفاعالت الكيميائيه

تكنولوجيا الميكروويف

ا ه وعملياته اعالت الكيميائي ه للتف فمن خالال . تمثل الميكروويف طريقه بديله آمصدر للطاق

تها الجدران ,التسخين العازل اعالت بشكل متجانس دون مالمس اليط التف نخفض . تسخن مخ ي

اتج ) بالحراره (تفاعل بشكل ملحوظ مقارنة بالنظم المسخنه تقليديا زمن ال ى الن اء عل مع االبق

ات في . المئوي واالنتقائيه المقبولين ائي والعملي ة ان التفاعل الكيمي السلبيه البسيطه هي حقيق

ة ر من حال ذلك اآث ه ل واد الموظف ى االدوات والم ر عل مجال الميكروويف تعتمد بصوره اآب

. بالحرارهالتسخين

مقدمه

وفي غالب . الكثير من التفاعالت الكيميائيه العضويه وعملياتها تسير فقط باضافة الطاقه اليها

ه ه الحراري ان تستعمل الطاق ديل . االحي تعمال الميكروويف آمصدر ب ه تصف اس ذه المقال ه

.للطاقه

يمكن . 1رف بالمعادله يمكن ان تع Qthآمية الطاقه المطلوبه لتسخين خليط التفاعل الكيميائي

. 2 , 3بالممعادلتين Qelقياس استهالك الطاقه الكهربائيه

Qth = ΔT × cp × m (1)

P = U × I (2)

Qel = P × t (3)

ه 4 حسب المعادله η1الفعاليه ه حراري ى طاق ه ال ه المتحول ه الكهربائي ة الطاق ى آمي تشير ال

.مستعمله

η1 = Qth / Qel (4)

من الفعاليه وتزيد من استهالك ,والت الطاقه وانتقاالتها المتعدده خالل حدود الطبقات تقلل تح

ه ل . الطاق دء التفاع رارة ب ة ح ى درج د الوصول ال وده , وعن ه الموج ين الطاق زان ب ا ات ينش

2

يلعب المحتوى الحراري دورا . والمفقود من الطاقه والمتاثر فقط بالمحتوى الحراري للتفاعل

اعالت ). مول0.1(لحجوم المواد المستعمله في التفاعالت المخبريه ثانويا قياسا في معظم التف

وهذا يعني ان جزء من الطاقه , الكيميائيه نصل الى حالة االتزان بالعمل على التكثيف الراجع

ل ى داخ ي تغل ات الت ف المرآب د لتكثي اء التبري ى م تمرار ال ل وباس تعمله تنق ه المس الحراري

.ب ان يتضمن ميزان الطاقه لهذه النظم الطاقه الالزمه للتبريديج. المكثف الراجع

احتماالت تزويد الطاقه البديله :القائمه التاليه تلخص بعض احتماالت تزويد الطاقه البديله

.التفاعالت الكيميائيه بواسطة اشعة اآس او اشعة غاما •

آيمياء البالزما •

الكيمياء الضوئيه •

وويفالكيمياء المحفزه بالميكر •

الكيمياء الميكانيكيه •

آيمياء الموجات الصوتيه •

ه (EMS)مجاالت التردد المختلفه للطيف الكهرومغناطيسي ر في مدخالت الطاق لها تاثير آبي

المرئي هو احد المجاالت لحث / ان استعمال الطيف فوق البنفسجي . الى التفاعالت الكيميائيه

ل حيث) نانوميتر 800-150(التفاعالت الكيميائيه اء الضوئيه . عرف منذ وقت طوي والكيمي

اء العضويه اعالت الضوئيه هي ضروره لوجود . [2]هي موضوع مستقل عن الكيمي التف

ى االرض اه عل ب الضوئي(الحي ى ). الترآي ه عل اعالت الكيميائي ن التف ر م دد آبي ك ع هنال

ه الضو ( المرئي / المستوى الصناعي يجري حثها بالطيف فوق البنفسجي وره , ئيهالنترت الكل

ه, الضوئيه وره الكبريتي ذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي ). الكل ن ه ون م ة الفوت طاق

وآما هو الحال في انواع . او الهدم في التفاعالت الكيميائيه ) التخليق(يمكن ان تستعمل للبناء

ن التفصيالت وللمزيد م . فان نتائج التغيرات تتاثر بظروف التفاعل , الكيمياء الكثيره االخرى

. [3]يمكن الرجوع الى آتب الكيمياء الضوئيه

3

الخلفيه:التفاعالت والعمليات المحفزه بالميكروويفل يرجع تأسيس تكنولوجيا ه بقلي ه الثاني ل الحرب العالمي ذ . الميكروويف الى ما قب 1970فمن

ه , ي الصناعات الغذائي ف ف تعمل الميكرووي رن الم . اس ن الق ات م ي الثمانين دات وف اضي ب

ائي في مجال . المجاالت المخبريه والصناعيه تظهر في االبحاث حيث نشر اول تفاعل آيمي

.[5,4] 1986التخليق العضوي في عام

ام دير باالهتم ن الج ات ان , وم ق المرآب ي تخلي ف ف تعمال الميكرووي ه الس اول حال

ويه ف وغير ,العض ام والتجفي خين الطع ل لتس ن قب درلها م تخدم اول مص ين اس ا مالي ه

ه من هذا و .[6]المرات ان معين ان االدوات التي آانت تستعمل لتلك االغراض لها معايير ام

عاع الكهرومغناطيسي تعمال االش ل اس اعالت , اج راء التف بة الج ر مناس ا غي ذا فانه ع ه وم

. الكيميائيه حسب المتطلبات المخبريه الجيده

ات ه موج تعملت في ذي اس ال ال ان المج و الميكروويآ ه ه رات الكيميائي ي المختب ف ف

في مواضيع الملوثات العضويه وعزل وتحضير المواد )الميكروويفاالستخالص بمساعدة (

ا . الطبيعيه ادة م ه التي ع اداة السوآسليت التقليدي ه االستخالص ب هذه الطريقه اصبحت بديل

اع درجة ومن حسنات هذه الطريقه ا . تحتاج الى وقت طويل وآميات آبيره من المذيبات رتف

.[7]الحراره للمذيب المستعمل في االستخالص بسبب زيادة الضغط

االساسيات: التفاعالت والعمليات التي يساعدها الميكروويف .ان االساسيات الفيزيائيه الشعاع الميكروويف بسيطة وستبحث باختصار في ما يلي

ف ة الميكرووي ول موج ق ط ب λ0) 12.24تتعل ي الغال م ف ) س

ه )جيجاهيرتز 2.45(بالتردد ائي او ). 5(بالمعادل ذبات المجال الكهرب ا هو عدد ذب ردد هن الت

.[8]المغناطيسي في الثانيه

fc

=0λ (5)

ازل ة الميكروويف التسخين الع اده لطاق ك .[9]تدعى العمليه التي يتم فيها امتصاص الم هنال

ى ) للمذيب او الماده المسخنه التابعه(خاصيه هامه وهي الحرآه النسبيه لالقطاب وقدرتها عل

ان . تغيير اتجاهها حسب المجال الكهربائي اذا تغيرت آمية واتجاه المجال مع مرور الوقت ف

4

ا ا ايض تغير اتجاهه اب س عها . االقط م وض ي دائ زم قطب ك ع ي تمتل ات الت دل الجزيئ تع

دوران ا , بال ا او آلي ائي , جزئي ال الكهرب اه المج ب اتج تطيع ج. حس ازات تس ات الغ زيئ

ردد , والسوائل ردد المجال ذو الت اآثر 610الدوران مع ت ز ف ك .[10] هيرت ال يمكن ,ومع ذل

عند اسقاط االشعه ذات التردد العالي . للجزيئات متابعة التحوالت السريعه للمجال الكهربائي

اه ,هيرتز 810 ر في اتج التزامن مع التغي المجال فان استعادة الجزيئات التجاهها ال يحدث ب

ك خساره في العزل . المغناطيسي ع ذل امالت العزل وهي . تحصل نقله في الطور ويتب مع

ه )الكتله(والحجم ) السماح( ه من المجال . للجزيئا ت المثاره هذه عوامل جوهري ل الطاق تنتق

ه . الى الوسط ه او حراري ه حرآي ى طاق ه ال ا او . وتتحول الطاق ه يمكن مقارنته ذه العملي وه

د . وذج االحتكاك وصفها بنم دا في العزل عن ه تظهر فق واد القطبي هنالك آميه آبيره من الم

.[10]مالمستها للميكروويف

ه باشعة الميكروويف تظهر في الشكل ذيبات القطبي ة تسخين الم ) 1(الصوره المبسطه اللي

ائي ألشعة الميكروويف ا . جزيئات الماء مثال ردد المجال الكهرب ر السريع لت ى يؤدي التغي ل

اء ات الم ي . دوران جزيئ ي في الوسط القطب اك داخل ذلك يحصل احتك تج , ونتيجة ل ذا ين وه

ه ه . تسخين خليط التفاعل بصورة مباشره ومنتظم ات المحلي ان انعكاسات الحدود في الطبق

رف ا يع ى م ؤدي ال اخنه (ي البقع الس ا ) ب تم بحثه ي ي خين الت وق التس ا ف ة م ا لعملي وايض

. [11]بتوسع

انتقال الطاقه بالميكروويف للماء ) 1(الشكل

OHH O

HH O H H

+

+

+

-

-

-

Time

λ

+ +

+ +

+ +

Change of polarization of the electric field

5

اي ما , يعتمد ازدواج طاقة الميكروويف بالوسط على خواص العزل للماده المراد تسخينها

تقاس هذه الخاصيه بمعامل . [10]هي حدة تباطؤ الميكروويف اثناء مروره خالال الماده

اي القدره على C له عالقه مع εr. صائص الماده والحالهالذي هو من خ,,εr العزل النسبي

)6(تخزين الطاقه حسب المعادله

0CC

r =ε (6)

) 7( حسب المعادله i εr المجال الكهرومغناطيسي ليرتبط بجزء خيالي εrيمكن ان يمتد (i2 = -1):

´´´ rrr iεεε += (7) يمكن تقديره من مقارنة ) والذي يدعى ايضا معامل العزل الديناميكي( ´´εrمعامل فقد العزل

تعتمد على االيصاليه ´´εr. قدرة الميكروويف االشعاعيه والقدره الحقيقيه التي تمتصها العينه

)8( بالمعادله f والتردد σالكهربائيه

fr πσε

2´´= (8)

طة ل بواس ام التفاع ي نظ ة االزدواج ف ين درج ن تعي ذلك ´εrيمك ل ´´εr وآ مى معام وتس

االنقشاع

D = tan δ 9( معادله(

´´´tanr

rDεεδ == (9)

x1~tanδ (10)

د ى حراره عن ه الكهرومغناطيسيه ال ل الطاق ى تحوي درة الوسط عل يصف معامل االنقشاع ق

راق اشعة الميكروويف تردد ودرجة حراره معينتين ويمكن اعتباره ايضا آمقياس لعمق اخت

دها ويعرف عمق االختراق بانه ). 10( المعادله xللماده ويتناسب عكسيا مع ه التي عن القيم

ونظرا . . من قوة اشعة الميكروويف الساقطه ابتداء ال تزال موجوده (e/1) من%37ال يزال

ذلك يجب الن آال من عمق االختراق ومعامل االنقشاع يعتمدان وبشده على درجة الحراره ل

ناعي ل الص ناعة المفاع يط لص د التخط ين االعتبارعن ذا بع ى ازدو . ان يؤخ ادا عل اج واعتم

ى ) التوصيل االيوني او الدوران القطبي في الجزيئات (الطاقه د عل فان معامل االنقشاع يعتم

6

ردد اشعة الميكروويف عوامل مختلفه ويتناسب مباشرة مع ترآيز االيونات وحجم االيون وت

اع . ولزوجة وسط التفاعل واد العضويه مع ارتف اء ولمعظم الم اقص عامل االنقشاع للم يتن

د درجات الحراره . رهدرجة ىلحرا ل عن اء تق وذلك يعني ان ازدواج طاقه الميكروويف بالم

.العاليه ولذلك فان عمق االختراق الميكروويف يزداد

ر العضويه آالبالستيك والسيراميك ات العضويه وغي د من المرآب ان معامالت العزل للعدي

ان اعتماد معامل العزل [12] والشموع والزجاج واالغذيه موثقة في المراجع العلميه انظر

. ولكن المعرفه الشامله ال تزال ناقصه[12] على درجة الحراره معروف بشكل جيد

تعامل اشعة الميكروويف مع الماده) 2(شكل

Absorption Transmission Reflexion

االمتزاز) النفاذ( االنعكاس االختراق

االنعكاس و االختراق و : الكهرومغناطيسي مع الماده يمتاز بثالث عمليات تعامل االشعاع

المواد التي لها خواص عزل عاليه تمتز اشعة الميكروويف . ]13[ )2(االمتزاز شكل

آبيران لذلك فان عمق االختراق للوسط tan δ وايضا ´εrوذلك يعني ان . وبالتالي تسخن بشده

. ن ازدواج الطاقة بالنظام يصبح هو السائدوعندها فا. حينها يصبح قليال

عند انعكاس شعاع الميكروويف عن سطح الماده فان القليل من ازدواج الطاقه او حتى ال

وذلك جائز . يمكن اهمال االرتفاع في درجة الحراره في آثير من الحاالت. شيء منه يحدث

منع اشعة الميكروويف من ومن اجل. خاصة عند استعمال الفلزات ذات االيصاليه العاليه

ونظرا الن تعامل ). قفص فارادي(الخروج عن نطاق االداة يغطى داخلها بصفائح معدنيه

7

االشعه مع السطوح المحيطه يالشى طاقة االشعاع بسرعة آبيره في اي نظام مايكروويف

.اولها فترات تالشي ال يمكن قياسه) تسخين السطوح المحيطه في فضاء الميكروويف( فارغ

المرآبات غير القطبيه لها تعامل قليل مع اشعة الميكروويف المخترقه ولهذا فهي مواد

اآسيد االلمنيوم المنقى , هذه المواد تتضمن الكوارتز. مناسبه لصنع المفاعالت

فبينما البولي . وغالبا المواد البالستيكيه, بعض انواع الزجاج الخاصه, )آوروندوم(جيدا

يلين مناسبين فقط لصنع االجزاء الخارجيه للمفاعالت نظرا الن لهما اثيلين والبولي بروب

نجد ان بوليمرات الفلور آربون نظرا لمقاومتهما الكيميائيه والحراريه , درجة ليونه منخفضه

العاليه يمكن استعمالهما في صناعة االجزاء التي لها اتصال مباشر مع مخاليط التفاعالت

.الساخنه

فان المعاهدات الدوليه اختارت , مال الميكروويف في قطاع االتصاالتوبسبب انتشار استع

)1(وهي ملخصه في الجدول ISM والتي تدعى [6]القليل من الذبذبات للتطبيقات المختلفه

والتي تستعمل في ) ISM(الذبذبات المسموح بها حسب المعاهدات الدوليه) 1(الجدول

الصناعه والعلم والطب

التردد الموجهطول

433.92 MHz ± 0.2% 69.14 cm

915 MHz ± 13 MHz (*) 32.75 cm

2450 MHz ± 50 MHz 12.24 cm

5800 MHz ± 75 MHz 5.17 cm

24125 MHz ± 125 MHz 1.36 cm

اغيرمسموح به في الما نيا (*)

خاصة من اجل االستعمال في , قليله تطورت وتحسنت تقنية الميكروويف في سنوات

حفزت االيجابيات . طبيقات الكيميائيه من اجل اجراء تفاعالت يساعدها الميكروويفالت

وعند . الكبيره المتعلقه بالميكروويف االهتمام لنقل هذه التكنولوجيا الى النطاق الصناعي

بحث ايجابيات الميكروويف في مساعدة التفاعالت الكيميائيه يجب ان نعتبر دائما بان طاقة

8

) 2(الجدول. ن قليله جدا لبدء التفاعالت الكيميائيه بمفهوم نظرية التصادمالميكروويف تكو

يحتوي على طاقات الروابط والترددات المتعلقه بها

للروابط التساهميه المنتقاه ومحتوى الطاقه , المقارنه بين طاقات الروابط)2(الجدول

[15,14]لفوتونات الميكروويف ذات الترددات المختلفه

التردد/الرابطه [eV] الطاقة

C-C bond 3.61

C=C bond 6.35

C-O bond 3.74

C=O bond 7.71

C-H bond 4.28

O-H bond 4.80

Hydrogen bond 0.04 – 0.44

Microwaves f = 300 MHz 1.2 × 10-6

Microwaves f = 2.45 GHZ 1.0 × 10-5

Microwaves f = 300 GHz 1.2 × 10-3

الميكروويف التقنيه للقيام بتفاعالت وفصل يساعدهااالحتماالت ل هيتاشي (ينتج عدد من الشرآات الصانعه ا ) شارب وسيمنز ,باناسونيك ,مث ه انواع العالمي

ي تعمال المنزل ف لالس ران الميكرووي ن اف ه م دره ,مختلف م والق ي الحج ف ف ي تختل والت

صوره ( سبة الشعة الميكروويف لها فجوه مغلقه ومحكمه بالن ,مع ذلك ,جميعها . والتجهيزات

ه تعمل باالشعاع ) 1 ران المنزلي ذه االف ار طول . جيجاهيرتز 2.45غالبية ه السبب في اختي

تج اشعاع الميكروويف رخيص للمغناطيسات التي تن ران . الموجه هذا هو التصنيع ال في اف

ه آاف لغر ض تسخين الميكروويف المنزليه يكون تجانس مجال الميكروويف فيها قليل ولكن

9

ذي . الطعام المقصود ك االداه مع ال الرقم المتسلسل لتل ر ب نفس االداه يتغي ان توزيع المجال ل

.يليه ولذلك ال يمكن مقارنتها بعضهامع بعض

مثال لفرن الميكروويف المنزلي) 1( الصوره

لدى بعض . ئي الذي يساعده الميكروويف في مثل هذا النظامتمت اول تجربه للتخليق الكيميا

االدوات المستعمله معايير السالمه الخاصه بالعمل في االشعاعات الكهرومغناطيسيه ومع

التحكم بمتغيرات التجربه محدود . ذلك فهي مناسبه جزئيا فقط الجراء التفاعالت الكيميائيه

وقياس درجة الحراره ). ض توزيع الطاقه المنتظمعلى افترا(بامداد الطاقه وزمن االشعاع

ولهذا فالمقارنه بالتفاعالت التقليديه هو عمل صعب ويؤدي . والضغط يشكالن مشكلة آبيره

ويمكن التحكم فقط بتزويد الطاقه دون التحكم بحدود درجات . الى تخمينات غير صحيحه

.الحراره

نزليه الجراء التفاعالت الكيميائيه او ال يمكن ان يوصى باستعمال افران الميكروويف الم

.لالغراض التعليميه وذلك السباب االمان

وبشكل , عاما لعمل تفاعالت التحلل15استعمل الميكروويف لمدة , وفي مجال تطور اخر

تم اعتمدت العديد من ) . AAS, ICP-MS(اساسي في تحضير عينات لعمليات تحليل العناصر

.[16] آطرق قياسيه) EPA(لبيئه االمريكيهالطرق من قبل وآالة حماية ا

10

ولهذا الغرض صنعت ادوات الميكروويف ذات معايير السالمه المطلوبه لمعالجة االشعاع

الكهرومغناطيسي والكيماويات ذات الطابع العدائي عند الضغوط ودرجات الحراره

. بها بالبرمجياتويمكن التحكم, جيجاهيرتز2.45هذه النظم تعمل ايضا على تردد. المرتفعه

:يمكن مالحظة اتجاهين اثنين في تطور انظمة الميكروويف للكيمياء العضويه

االدوات الصغيره تسمح . احد هذين االتجاهين يمثل تطور ادوات صغيره او تطبيقات خاصه

وامداد ) بضع دقائق(باجراء تفاعالت على نطاق ضيق اي في مدى الملمول وفي زمن قليل

او فتحات تؤدي مباشرة ) لتر1حوالي (ذات تجاويف ميكروويف صغيره,اطاقه عال نسبي

يمكن ان يستعمل GCالى المفاعل وغالبا ما تستعمل االنابيب المغلقه بما يشبه آبسولة

. الكيميائي العضوي تلك النظم اذا آان يتطلع فقط الى اجابات نعم او ال اعتبارا لسير التفاعل

قه في قابلية الضروف لالسترجاع اوالحرآيه او االرتقاء الى ولكن اذا تطلب االمر الى د

ومن وجهة . فان هذه االنظمه تفشل في تحقيق هذا) مره100(مول0.1نواتج على نطاق

ولهذا فان لها اهميه صغيره " بالصناديق السوداء"نظر تربويه يمكن تشبيه هذه االدوات

ذات الدرجات المتعدده من EMRYSومن امثلة تلك االدوات. لالغراض التعليميه

بعض نظم . CEM(U.S)ونظام االستكشاف , ال يصنع االنProlabo(F),االتمته

).3(الميكروويف المستعمله في التخليق العضوي ملخصه في جدول رقم

هذا , GmbH من ETHOSبظام ,يوجد نظام تجاري ,باالضافه الى النظم المذآوره سابقا

ويمكن استعمال عدة مفاعالت في اداه , ندسيه حسب المتطلباتالنظام تتوفر فيه مرونه ه

والفائده من طاقة الميكروويف يمكن ان تستغل بينما احداثيات التفاعل يمكن . اساسيه واحده

في هذا النظام النموذجي يمكن اجراء التفاعالت من نطاق الملمول الى . التحكم فيها بدقه

الى النظام المستمر وتم batch ال من نظام الدفعهوعدا عن ذلك يمكن االنتق. نطاق المول

هنالك نظام للمبتدئين مشتق من النظام االساس [17,18] اثبات ذلك لبعض انواع التفاعالت

واط لنظام 800(واط 1000القوه القصوى هي ) PRACTIKA(بتجهيزات قياس مبسطه

)PRACTIKA (واط10والذي يمكن تنظيمه بزيادات مقدارها.

مقارنه بين انظمة الميكروويف المتوفره للتخليق الكيميائي ال)3(جدول

11

الميكروويف المنزلي R_220A

Sharp

Emrys™

الكيمياء الشخصيه

™دسكوفري

CEM

ETHOS™ MR

MLS / مايلستون

نمط االناره االنماط المتعدده النمط الواحد النمط الواحد االنماط المتعدده

800 W

بالنبض

300 W

بدون نبض

300 W

بدون نبض

1000 W

بدون > بالنبض نبض

القدره العليا

15.7 L 1 تقريبا L 1 تقريبا L 42.8 L السعه

300 .تقريبا W/L 50 .تقريباW/L

300 .تقريباW/L

آثافة القدره العليا داخل الفرن W/L 23 .تقريبا الفارغ

max. 100 g

للتفاعالت الجافه

< 20 g < 50 g up to 3000 g

عتمد على المفاعلي

نطاق التفاعل

واحداثيات تحكم متعدده , هذه النضم ذات اختالافات واسعه في طرق قياس درجة الحراره

يمكن ان . اليصال الطاقه وتصاميم خاصه للمفاعالت لتداول الكيماويات بصوره امنه

عروفه من تستعمل التطبيقات في موضوع الكيمياء العضويه التخليقيه آافة المفاعالت الم

وبشكل عام يجب تجنب استعمال االجزاء المعدنيه داخل أداة . الزجاجيات التقليديه

.وسنبحث باالستثناءات الحقا. الميكروويف

يجب اختيار . تعتمد ضروف تجربه الميكروويف على المعلومات التقنيه الداة الميكروويف

مجال استعمال اداة ميكروويف آمرجع من اجل تطوير تعليمات امان خاصه في

من ETHOSاجريت آافة التجارب باداة. الميكروويف في مختبرات الكيمياء العضويه

MLS GmbH ,هذه االداه تلبي جميع متطلبات السالمه والتقنيه للتجارب المخبريه .

بجميع NOPيمكن اجراء آافة تجارب . الفقرات التاليه تشير الى هذه االداه واضافاتها

يجب التثبت من الطاقه واالمان وآذلك احداثيات التجربه . عين المختلفيناالدوات من المصن

.والتعليمات التقنيه وتحويرها بحسب االداة

ومعها جهاز تكثيف MLS GmbHمن ETHOSتظهر االداه االساسيه ) 2(الصوره رقم

ذي والفرق الوحيد بينه وبين المكثف الراجع النظامي هو انبوب الربط الزجاجي ال. راجع

يمكن . يربط الوعاء بداخل فجوة الميكروويف مع المكثف الراجع خارج حقل الميكروويف

, محرآات زجاجيه, قنطرة تقطير, جهاز فصل الماء,ان يمتد الجهاز باضافة اقماع بمحابس

. التي عادة تضاف خارج اداة الميكروويف باستعمال رؤوس التقطير

12

قياس درجة الحراره (مع جهاز تكثيف راجعETHOS MR نظام الميكروويف)2(الصوره رقم

باستعمال مجس البصريات الخيطيه

مقارنة بالتفاعالت التي اجريت . اجريت بهذه االداه)4(التجارب الملخصه في الجدول

.بطريقه تقليديه واجهزة الميكروويف االخرى

طورت بعض المفاعالت الخاصه بالتبريد , ) المنتظم(جع باالضافه الى جهاز التكثيف الرا

ولهذا فان العمل الجماعي ممكن .هنلك مفاعالت منفرده او متعدده . الهوائي الداخلي

دوار من ثماني , تحتوي على مفاعل منفرد3الصوره رقم . باالضافه الى تحقيق االمثليه

ن قياس درجات الحراره يمك. مل20 قطعه مع وعاء تفاعل سعة 15ودوار من , قطع

يمكن الحصول على . باستعمال مجس البصريات الخيطيه او مجس االشعه تحت الحمراء

.التبريد الهوائي بتهوية داخل الميكروويف وبفتحات دخول خاصه

ETHOSمفاعل بمبردات هواءداخليه الستعمالها في نظم الميكروويف:3الصوره رقم

PRACTIKAاو

دمفاعل منفر:أ 3صوره

NMR_8 دوار بثمانية قطع:ب3صوره مجس البصريات لقياس درجة

13

الحراره

قطعه للتجارب الجماعيه والتخليق الموازي15دوار ذو : ج3صوره

14

يمكن اجراء التجارب التي تتطلب تكثيفا راجعا او التخليق , بهذه االنظمه من المفاعالت

من عيوب هذا النظام التبريد باستعمال التهويه داخل . ملمول10الى1الموازي على نطاق

معرفة ان استعمال التبريد الهوائي يتطلب . نظام الميكروويف او بمزود الهواء البارد للمفاعل

بطاقة الميكروويف والتحكم بها وآذلك التفاعالت التي يساعدها الميكروويف ولهذا يبحث في

.حصص مخبريه متقدمه

تتوفر االن عدة مفاعالت ضغط يزداد فيها مدى درجة الحرارة فوق درجة غليان المذيب

مفيده هذه المفاعالت طورت لكي تستعمل في تفاعالت االنحالل ولكنها ايضا. المستعمل

).4(صوره,للتخليق الكيميائي

ETHOSمفاعالت الضغط الستعمالها في نظم الميكروويف التقنيه ):4(صوره

PRACTIKAوآذلك

مفاعل ضغط من اربع قطع:أ4صوره

قطعه36مفاعل ضغط من : ب4صوره

15

:ج4صوره

محرك مغناطيسي اوميكانيكي يغذى (مل500ميكروويف اوتوآالف يضم وعاء تفاعل سعة )بغاز خام تبريد داخلي

..

. تبين مفاعل منفرد وآذلك دوارات مع نظم مفاعالت متكامله ومتعددة االغراض4الصوره

لتحقيق االمثليه للتفاعالت بتعدد الترآيبات الموليه وآذلك للقيام بالتجارب يمكن استعمالها

يمكن استعمال المفاعالت البالستيكيه او . الجماعيه في صفوف المختبرات العضويه

يمكن الوصول الى , واعتمادا على الماده, مل50الزجاجيه للتفاعالت التي تصل حجومها الى

تتم قياسات درجة الحراره والضغط في اوعية . بار40 وضغط لغايةهم 280درجة حرارة

ولهدف المقارنه 5التجارب التى اجريت في هذه المفاعالت لخصت في جدول. رصاص

.ادرجت التجارب المجراة بالطرق التقليديه

من الضروري معرفة سير التفاعالت بصوره دقيقه وآذلك المعلومات الرقميه الفيزيائيه عند

وذلك ايضا يصح عند رفع . جهاز التكثيف الراجع الى النظم المضغوطهنقل التجارب من

.التفاعل او االنتقال الى عمليه مستمره

16

يمكن القيام بعدد من عمليات الفصل الحراري او جمع التفاعالت التي تتم في الميكروويف

, بالتقطيرالتنقيه (انواع مختلفه من التقطير , االستخالاص, ومن امثلتها. بدون اية مشاآل

ولهذا الغرض بنيت . واعادة التبلور, التحميص,التجفيف) والتقطير البخاري,التقطير الفعال

).5صوره (مفاعالت خاصه

نظام االستخالص والترشيح الساخن:5 صوره

د استعمال الميكروويف في العمليات والتفاعالت الكيميائيه هي آونها اقل استهالآا ان فوائ

والتحكم في امداد ,للوقت والدقه بالتحكم في درجة الحراره مباشرة في قاع جهاز التقطير

.الطاقه

وتظهر االمثله . بعض االمثله في الفصل الحراري في مجال الميكروويف6يلخص جدول

يكروويف في مختبر التخليق ليس مقيدا بالتفاعالت فقط لكنه يمكن استعماله بان استعمال الم

, ولهذا فان نظام اليكروويف التقني مطلوب. في عمليات اخرى والتي تتطلب حرارة عالية

.لهذا يكون غير مناسب, ونظرا لعدم آفاية الميكروويف المنزلي تقنيا

ل الميكروويفالتعليمات العمليه للتفاعالت والعمليات في مجامن المالحظ انه في حاالت قليله , لدى دراسة المراجع للتجارب التي يسرعها الميكروويف

توصف فيها شروط واحوال التفاعل بالتفصيل بحيث يمكن اعادتها بدون مشاآل آبرى في

وفي آثير من التجارب ال توجد بعض الحقائق . نفس النظام آما وصغت او في نظم اخرى

.وتزويد الطاقه,والحراره القصوى,دفعهمثل آمية ال

17

وفي حين . اآمال اعمل او خليط التفاعل, نفس المعلومات ضروريه للعمليات االخرى ايضا

فان التجارب التي , ان استعمال مصادر الطاقه التقليديه في غالب االحيان يكون قياسيا

يجب ان يحسب . ملهيسرعها الميكروويف تعتمد وبشده على ضروف التجربه والمواد المستع

.لذلك عند الوصف الدقيق لضروف التفاعل

جهاز التكثيف (المقارنه بين التفاعالت التى يسهلها الميكروويف والتخليق التقليدي :4جدول batch: حجم الدفعه ,t: الزمن ,T: درجة الحراره :المصطلحات الموجوده في الجدول هي آالتالي)الراجع

size, النسبه الموليه:molar ratio, العامل المساعد:catalyst الناتج المئوي :yield .

التفاعالت التي يساعدهاالميكروويف

التفاعالت التي )المراجع(يساعدهاالميكروويف

المراجع ,التفاعالت التقليديه والتجارب الخاصه بها

:نترتة التولوين• T: ice bath + max. 60

°C • t: 0.5 h + 1 min • batch size: 100 mmol • molar ratio: 1 : 1.5 • activator: sulfuric

acid • yield: 88%

• T: ice bath + room T • t: 0.5 h + 2h • batch size: 100 mmol • molar ratio: 1 : 1.5 • activator: sulfuric

acid • yield: 75% [1]

:نتروبنزالدهايدمع الجاليكول-3استلة

• T: 130 °C • t: 50 min • batch size: 100 mmol • molar ratio: 1 : 1.5 • catalyst: p-

toluenesulfonic acid • yield: 91%

• T: reflux with

cyclohexane • t: 2 – 3 h • batch size: 100 mmol • molar ratio: 1 : 1.1 • catalyst: p-

toluenesulfonic acid • yield: 92% [2]

اسلة فريدلكرافت :تخليق الفلورسين • T: 220 °C • t: 30 min • batch size: 135 mmol • molar ratio:

equimolar

• T: 170 °C • t: 10 h • batch size: 135 mmol • molar ratio:

equimolar • yield: 73% [3]

18

• catalyst: none • yield: 82%

• T: 180 – 210 °C • t : 1-2 h • batch size: 0.1 mol • molar ratio:

equimolar • catalyst: ZnCl2 (50

mmol) • yield: quantitative [4]

تخليق فثالوسيانين النحاس : • T: 200 °C • t: 30 min • batch size: 4.5 mmol • molar ratio: 18.4 : 3.6

: 1 • catalyst:

(NH4)2MoO4 • yield: 93%

• T: unknown • t: 4.5 – 7 min • batch size: 0.05 mol • molar ratio: 18.4 : 3.6 :

1 • catalyst: (NH4)2MoO4 yield: 86% (household microwave oven) [5]

• T: 200 °C • t: 30 min • batch size: 4.5 mmol • molar ratio: 18.4 : 3.6

: 1 • catalyst:

(NH4)2MoO4 • yield: < 10% [6]

تكثيف آنوفناغل : • T1: 110 °C / 20 min • T2: 140 °C / 5 min • batch size: 0.25 mol • molar ratio:

equimolar • catalyst:

AcOH/piperidine (15/30 mmol)

• on-pot reaction • yield: 72%

• T: 110 °C • t: 2 – 6 h • batch size: 0.5 mol /

150 mL benzene • molar ratio:

equimolar • catalyst:

AcOH/piperidine (30/60 mmol)

• Dean-Stark-apparatus• yield: 75 % [6,7]

حامض استيلساليساليك• T: 140 °C • t. 60 sec • batch size: 0.2 – 1.0

mol • molar ratio: 1 : 1.2 • catalyst: none • yield: 92%

• T: 120 – 130 °C • t: 90 sec • batch size: 15 – 150

mmol • molar ratio: 1 : >1 • catalyst: none • yield: no data [8]

• T: 140 °C • t: 2 h • batch size: 1 mol • molar ratio: 1 : 1.2 • catalyst: H2SO4 • yield: 85%

19

لبنزوين باليورياتكثيف ا • T: 150 °C • t: 11 min • batch size: 94 mmol • molar ratio: 1 : 3.5 • yield: 74%

• T: unknown • t: 3 – 5 min • batch size: 10 mmol • molar ratio: 1 : 3.5 • yield: 65% (household

microwave oven) [10]

• T: 180 °C • t: 60 min • batch size: 4.7 mmol • molar ratio: 1 : 3.6 • yield: 70% [6,11]

المراجع لجدول4

[1] S. Hünig, G. Märkl, J. Sauer; Integriertes organisches Praktikum; Verlag Chemie,

Weinheim 1979

[2] Integriertes Organisch-Chemisches Praktikum, Regensburg, 2000, Versuch-Nr. 4.1.1.3

[3] J. O. Metzger, private communication, Oldenburg 2000

[4] W. Gattermann, „Die Praxis des organischen Chemikers“, Verlag de Gruyter, Berlin – New York 1982, 584-595

[5] A. Shaabani, J. Chem. Res. (S), 1998, 672-673

[6] Test reactions, FSU Jena, ITUC, Jena 2002

[7] Autorenkollektiv, „Organikum: organisch-chemisches Grundpraktikum“, 20., bearb. und erw. Aufl., korr. Nachdruck, Wiley-VCH, Weinheim 1999, 502

[8] A. K. Bose, B. K. Banik, N. Lavlinskaia, M. Jayaraman, M. S. Manhas, CHEMTECH, 1997, 18-24

[9] Lit. [7] 444-445

[10] J.-C. Feng, Qu.-H. Meng, Y. Liu, L. Dai, Org. Prep. Proc. Int. 1997, 29, 687-689

[11] B. K. Yong, S. K. Chung, K. L.Chang, J. Heterocyclic Chem. 1994, 31, 1653-1656

20

امثله من استعمال مفاعالت الضغط في التفاعالت التى يساعدها الميكروويف : 5جدول

التفاعالت التقليديهبالمقارنه مع

المراجع والتجارب الخاصه بها,التفاعالت التقليد يه التفاعالت التي يساعدها الميكروويف تفاعل بغنللي• T: 110 °C • t: 20 min • batch size: 0.1 mol • 3% urea excess • molar ratio: 1.03 : 1 : 1 • catalyst: HCl/EtOH 25 mL • yield: 75%

• T: 80 – 90 °C • t: 4 – 8 h • batch size: 0.01 – 1 mol • high urea excess • molar ratio: different • catalyst: HCl/EtOH • yield: 78% • T: 25 °C • t: 12 h • batch size: 0.05 mol • 50% urea excess • molar ratio: 1.5 : 1 : 1 • catalyst: HCl/EtOH 5 mL • yield: 70% [2]

الجلوآوز مع الميثانول: تفاعل فيشر : • T: 140 °C • t: 40 min • batch size: 27 mmol • molar ratio: 1 : 37 • catalyst: acetyl chloride • yield: quantitative [3]

• T: 70 – 75% • t: 8 – 24 h • batch size: 0.01 – 10 mol • molar ratio: different • catalyst: different acids • yield: 80% [2,4]

الآتام آابرو-εالتكثيف المتعدد ل • T: 200 °C • p: 50 mbar • t: 45 min • batch size: 25 mmol • H2O: 10 – 25 mmol • yield: 80%

• T: 250 °C • p: >1 bar (ampoule) • t: 4 h • batch size: 25 mmol • catalyst: HCl (1 drop) • yield: not determined [5]

5 المراجع لجدول

[1] P. Biginelli, Gazz. Chim. Ital. 1893, 23, 360-416

[2] Test experiments, FSU Jena, ITUC, Jena 2001-2002

[3] M. Nüchter, B. Ondruschka, W. Lautenschläger, Synth. Commun. 2001, 31, 1277-1283

[4] K. Hill, W. von Rybinski, G. Stoll (eds.), “Alkyl Polyglycosides”, VCH, Weinheim 1997, 1-22

[5] Autorenkollektiv, „Organikum: organisch-chemisches Grundpraktikum“, 20., bearb. und erw. Aufl., korr. Nachdruck, Wiley-VCH, Weinheim 1999, 625

21

امثله من عمليات الفصل التي يساعدها الميكروويف:6جدول

التطبيق عمليات يساعدها الميكروويف التقطير الفعال

ل ه :المفاع ود تجزئ ع عم اجي م ر زج از تقطي جه ,مرصوص

الضغط حوالي,هم 150درجة الحراره حتى ل2حجم دفعة الخليط ,مليبار 100

تحويل الحوامض التي تحتوي على • الستيك الى حامض االستيك ومشتقاتبهيدريد ا

الحامض الكربوني العالي االستره الفعاله لثالثي الكحول مع انهيدريد •

الحامض الكربوني جهاز تقطير زجاجي :المفاعل التقطير البخاري

ال .ملمن الناتج250لتقطير, دقيقه30:الزمن )نترتة الفينول(يتطلب مصدر بخار اضافي

)اندرالف(فصل الزيوت الطياره •جهاز تقطير زجاجي مع عمود تجزئه :المفاعل التنقيه بالتقطير

مرصوصى راره حت ة الح غط ,هم 150درج الض

,مليبار 100حوالي ل2 حجم دفعة الخليط

تنقية انهيدريدات الحوامض الكربونيه • [1]قطع-6مفاعل ضغط عالي :المفاعل Iاالستخالص

20الزمن اقل من هم 150درجة الحراره حتى قيقهد

تحضير العينات لتعيين االروماتيات في .التربه

نظام استخالص وترشيح : المفاعل II االستخالص نواتج استخالص ساخنه,ساخن

فصل المواد الطبيعيه في النباتاو االستخالص الساخن عند ,اعادة التبلور

الضغط العادي جهاز تكثيف راجع:المفاعل

المراجع لجدول 6[1] a) U. Nüchter, B. Ondruschka, H. G. Struppe, M. Nüchter, Chem. Technik 1998, 50,

249-252,

b) C. Struppe, M. Nüchter, B. Ondruschka, Chem. Technik 1999, 51, 127-129

:المراجع

22

[1] Autorenkollektiv, „Organikum: organisch-chemisches Grundpraktikum“, 20., bearb. und erw. Aufl., korr. Nachdruck, Wiley-VCH, Weinheim 1999, 13-17

[2] a) http://www.chemie.uni-hamburg.de/oc/marga/photochemie/photoche.htm b) http://www.chemlin.de/cl/clphotoc.htm

[3] a) H. G. O. Becker, “Einführung in die Photochemie“, Thieme –Verlag Stuttgart 1983

b) M. Klessinger, „Lichtabsorption und Photochemie organischer Moleküle“, 1. Aufl., VCH, Weinheim, New York 1989

c) J. Mattay, A. Griesbeck (Eds.) “Photochemical Key Steps in Organic Synthesis”, VCH, Weinheim, New York 1994

d) D. Wöhrle, M. W. Tausch, W.-D. Stohrer “Photochemie. Konzepte, Methoden, Experimente“, Wiley-VCH 1998

:التفاعالت والعمليات التي يساعدهاالميكروويف

[4] R. Gedye, F. Smith, K. Westaway, H. Ali, L. Baldisera, L. Laberge, J. Rousell, Tetrahedron Lett. 1986, 27, 279-283

[5] R. J. Giguere, T. L. Bray, S. M. Duncan, G. Majetich, Tetrahedron Lett. 1986, 27, 4945-4949

[6] http://www.pueschner.com/dt/basics

[7] a) K. Ganzler, I. Szinai, A. Salgó, J. Chromatogr. 1990, 520, 257-262, b) V. Lopez-Avila, R. Young, J. Benedicto, P. Ho, R. Kim, W. F. Beckert, Anal. Chem. 1995, 67, 2096-2102

[8] D. M. P. Mingos, D. R. Baghurst “Applications of Microwave Dielectric Heating Effects to Synthetic Problems in Chemistry” in: Microwave Enhanced Chemistry (Eds.: H. M. Kingston, St. J. Haswell) ACS, Washington (DC) 1997, 3-53

[9] D. M. P. Mingos, D. R. Baghurst Chem. Soc. Rev. 1991, 20, 1-47

[10] C. Gabriel, S. Gabriel, E. H. Grant, B. S. J. Halstead, D. M. P. Mingos, Chem. Soc. Rev.1998, 27, 213

[11] D. R. Baghurst, D. M. P. Mingos J. Chem.. Soc., Chem. Commun. 1992, 674-677

[12] D. R. Lide, in: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 76th ed.; CRC press: Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo 1992, Sec. 6, 193-215

[13] W. Lautenschläger, I. Flöter, G. Schwedt, LaborPraxis – Juli/August 1998, 42-44

[14] P. W. Atkins „Physical Chemistry“, Oxford University Press, 1990, 938

[15] D. A. C. Stuerga, P. Gaillard, J. Microwave Power and Electromagn. Energy 1996, 31, 87-113

[16] http://nexus.chemistry.duq.edu/sampleprep/dir/3015method.html

EPA Method 3015: MICROWAVE ASSISTED ACID DIGESTION Of AQUEOUS SAMPLES AND EXTRACTS

EPA Method 3051: MICROWAVE ASSISTED ACID DIGESTION OF SEDIMENTS, SLUDGES, SOILS, AND OILS

EPA Method 3052: MICROWAVE ASSISTED ACID DIGESTION OF SILICEOUS AND ORGANICALLY BASED MATRICES

23

[17] M. Nüchter, B. Ondruschka, A. Jungnickel, U. Müller, J. Phys. Org. Chem. 2000, 13, 579-586

[18] M. Nüchter, U. Müller, B. Ondruschka, A. Tied, W. Lautenschläger, Chem. Ing. Tech. 2002, 74, 910-920

"التفاعالت والعمليات التي يساعدهاالميكروويف" المراجعات والكتب في موضوع

المراجعات 1 (

a) R. N. Gedye, F. E. Smith, K. Ch. Westaway, Can. J. Chem. 1988, 66, 17-34

b) R. A. Abramovitch, Org. Prep. Proc. Int. 1991, 23, 685-711

c) A. G. Whittaker, D. M. P. Mingos J. Microwave Power and Electromagn. Energy 1994,29, 195-219

d) S. Caddick, Tetrahedron 1995, 51, 10403-10432

e) Ch. R. Strauss, R. W. Trainor, Aust. J. Chem. 1995, 48, 1665-1692

f) K. C. Westaway, R. N. Gedye, J. Microwave Power and Electromagn. Energy 1995, 30, 219-229

g) A. K. Bose, B. K. Banik, N. Lavlinskaja, M. Jayaraman, M. S. Manhas, CHEMTECH 1997, 18, 479-488

h) S. A. Galema, Chem. Soc. Rev. 1997, 26, 233-238

i) R. N. Gedye, J. B. Wei, Can. J. Chem. 1998, 76, 525-537

j) Ch. R. Strauss, Aust. J. Chem. 1999, 52, 83-96

k) R. J. Varma, Green Chem. 1999, 1, 43-55

l) N. Elander, J. R. Jones, S.-Y. Lu, S. Stone-Elander, Chem. Soc. Rev. 2000, 29, 239-249

m) L. Perreux, A. Loupy, Tetrahedron 2001, 57, 9199-9223

n) P. Lidström, J. Tieney, B. Wathey, J. Westmann, Tetrahedron 2001, 57, 9225-9283

الكتب 2 (

a) R. van Eldik , C. D. Hubbard (Eds.), “Chemistry Under Extreme or Non-classical Conditions”, John Wiley & Sons and Spektrum Akademischer Verlag Co-Publication: New York and Heidelberg, 1997;

b) H. M. Kingston, St. J. Haswell (Eds.), “Microwave Enhanced Chemistry” , ACS, Washington (DC) 1997

c) A. Loupy (Ed.), “Microwaves in Organic Synthesis” Wiley-VCH, Weinheim, New York 2002

d) B. L. Hayes “Microwave Synthesis”, CEM Publishing, Matthews (NC) 2002